粘土斜墙土石坝设计说明书

《土石坝电算》 课程设计 学生姓名： 学 号： 050902214 专业班级： 水利水电(1)班 指导教师： 二○一二年六月二十三日 目录 第一章.工程概况 1 第二章.计算原理和方法 1 2.1.确定合理经济的土石坝剖面尺寸 1 1.确定工程等级 1 2.选定坝型 1 3.坝体分区 2 4.建基面要求 2 5.坝坡坡率、马道 2 6.坝顶高程的确定 2 7.坝顶宽度 3 8.坝体排水措施 3 9.防渗体 3 10.反滤层和过渡层 3 11.护坡 3 12.坝基处理（粘土截水槽） 4 2.2.土石坝的渗流分析 4 2.3.土石坝的稳定分析 4 1. 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 期（竣工时）上游坝坡的稳定安全系数。 4 2.各工况下的下游坝坡的稳定安全系数以及正常高水位骤降至死水位下上游坝坡的稳定安全系数。 5 第三章．计算过程及结果汇总 5 3.1.确定和合理经济的土石坝剖面 5 1.确定工程等级 5 2.选定坝型 6 3.坝体分区 6 4.确定建基面 6 5.初步拟定坝坡坡率、布置马道 6 6.坝顶高程的确定 6 7.确定坝顶宽度 9 8.初定防渗体型式尺寸 9 9.反滤层和过渡层 10 10.护坡计算 10 3.2.土石坝渗流分析 11 3.3.土石坝稳定分析 11 1. 计算施工期上游坝坡的稳定安全系数的计算（手算计算） 11 2. 采用摩根斯顿—普赖斯法计算正常高水位下游坝坡的稳定安全系数并绘制坝体浸润线 13 3. 采用简化毕肖普法计算各工况下游坝坡的稳定安全系数（设计洪水位+校核洪水位） 14 4. 正常水位骤降至死水位上游坝坡的稳定安全系数并绘制浸润线 16 第四章．结束语 18 4.1.成果分析 18 4.2.问题展望 19 【参考文献】 20 附表 21 第一章.工程概况 某水利枢纽工程位于某河上游，拟定坝址控制流域面积3676km2，约占全河流流域面积的75%，流向自西向东，干流的平均比降为2%--3%。流域内为火山岩、次火山岩组成的中低山，碎屑岩组成山间盆地之中的丘陵，本流域水土流失现象不严重，因此泥沙对水库使用不致构成严重问题。 本工程是以发电灌溉为主兼顾防洪和供水等的综合利用工程，水库的总库容为1850万m3，发电引水高程为138m，最大引水流量为80m3/s，发电总装机容量3.4万kW，两台机组，每台装机为1.7万kW。灌溉下游左岸耕地2.43万m2，灌溉最大引水流量36m3/s，引水高程141m。 第二章.计算原理和方法 本程设设计主要是根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）进行土石坝的设计 。主要设计内容原理和方法如下（由于本课程设计坝型已经事先选定为粘土斜墙坝故原理介绍仅介绍相关内容。）： 2.1.确定合理经济的土石坝剖面尺寸 土石坝的基本剖面根据坝高、坝的等级、坝型、筑坝 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 特性、坝基情况以及施工、运行条件等参照现有工程的时间经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理地剖面形状。 1.确定工程等级 根据SL252-2000 《水利水电工程等级划分标准》有关规定确定工程等级和土石坝的级别。 2.选定坝型 根据坝址区河势地形坝址基岩覆盖层特征及地震烈度等地形地质条件;筑坝材料的种类性质数量位置和运输条件等。坝高高坝多采用土质防渗体分区坝低坝多采用均质坝。 3.坝体分区 坝体分区设计应根据就地取材和挖填平衡原则经技术经济比较确定坝体各种不同材料应有明确的分区，土质防渗体分区坝宜分为防渗体反滤层过渡层坝壳、排水体和护坡等区。防渗体，在上游面时坝体渗透性宜从上游至下游逐步增大防渗体。 4.建基面要求 土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定的适应变形的能力。所以，土石坝对天然地基的强度和变形要求，以及地基处理的标准等，都可以略低于混凝土坝。 5.坝坡坡率、马道 土石坝的坝坡初选可参照已有工程的实践经验拟定。上游坝坡长期处于饱和状态，加之水库水位有可能快速下降，使坝坡稳定处于不利地位，故其破率应比下游坝坡为缓。土质防渗体的心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为为1:1.5—1:2.5，采用土料时，常用1:2.0—1:3.0；上游坝壳采用堆石时，常用1:1.7—1：2.7，采用土料，常用1:2.5—1:3.5。斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用，取值宜偏陡；上游坝坡可适当放缓，石质坝坡放缓0.2，土质坝坡放缓0.5。 从土石坝建设的发展情况看，土质防渗体分区坝和均质坝，上游坝坡除观测需要外，已趋向于不设马道或少设马道。根据施工、交通需要，下游坝坡可设置斜马道。马道宽度按用途确定，一般不小于1.5m。 6.坝顶高程的确定 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大值： 1� 计洪水位加正常运用条件的坝顶超高； 2� 正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高； 3� 校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高； 4� 正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高，再加地震安全加高。 当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高时值水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。坝顶超高d按照式(2-1) 计算，对特殊重要的工程，可取d大于此计算值。 y=R+e+A (2-1) 式中：R为波浪在坝坡上的设计爬高，m；e为风浪引起的坝前水位雍高，m；A为安全加高，m，根据坝的级别按附1选用。 上式中R和e的计算公式很多，主要都是经验和半经验性的，适用于一定的具体条件，按照SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》推荐的公式计算确定。 7.坝顶宽度 坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的要求综合研究后确定。SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选为10—15m，中、低坝顶宽可选为5—10m。坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。 8.坝体排水措施 本设计下游坝壳为堆石料，由附表2可知堆石料完全透水，故无需另外布置排水措施。 9.防渗体 斜墙的厚度，主要取决于土料的质量，如容许渗流比降、塑性、抗裂性能等。在设计中通常采用平均容许比降[Ja]SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：斜墙的Ja不宜大于5。土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不宜小于3.00m；底部厚度，斜墙不宜小于水头的1/5。土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高。非常运行条件下，防渗体顶部不应低于非常运行条件的静水位。并应核算风浪爬高高度的影响。 当防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受上述限制，但不得低于正常运用的静水位。 10.反滤层和过渡层 反滤层的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗流变形破坏以及不同土层界面处的接触冲刷，在土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间，坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反滤要求，过渡层则可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化的变形和应力。 考虑到坝身砂砾料本身所起的反滤作用，故上游坝坡不设反滤层。因坝壳与防渗体之间具有足够厚度反滤层，也可不设过渡层。 11.护坡 护坡型式根据坝的等级、适用条件和当地材料等情况通过技术经济比较确定。 12.坝基处理（粘土截水槽） 明挖回填粘土成截水槽,结构简单、工作可靠、截渗效果好的防渗措施.适用于砂砾土层深度在15m以内。一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游1/3～1/2坝底宽处），横贯整个河床并伸到两岸。截水墙的底宽，应按回填土料的允许比降确定（砂壤土取3.0，壤土3.0～5.0，粘土5.0～10.0），一般取5m～10m，最小宽度3.0m。 插入相对不透层的深度应不小于0.5～1.0m。 2.2.土石坝的渗流分析 土石坝渗流分析主要内容为确定坝体浸润线、确定渗流流速和比降和确定渗流流量。可以采用水力学方法计算。由于本设计土石坝上下游坝体填料透水性均较大，斜墙防渗性很高。坝体浸润线可由水面自由延伸初步确定，故渗流分析的方法不再详细介绍。 2.3.土石坝的稳定分析 工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平和理论基础之上的。假设达到极限平衡状态时，土体将沿着某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔-库伦强度条件。土石坝坝坡稳定分析计算方法有：刚体极限平衡法。极限平衡稳定分析时，按滑动面形状分圆弧法和滑楔法两种。 1.施工期（竣工时）上游坝坡的稳定安全系数。 本设计分别采用简化的毕肖普法和滑楔法手算计算施工期（竣工时）上游坝坡的稳定安全系数。 A.简化的毕肖普法 在简单条分法的基础上，简化的毕肖普法近似考虑了土条间相互作用力的影响。简化毕肖普法安全系数的表达式如公式2-2： 2-2 式中：Kc安全系数；Wi为土条的自重；b,α分别为土条的宽度和滑裂面的坡角。c’和φ’为有效抗剪强度指标；Q为水平惯性力；R为滑动圆弧半径。 B.滑楔法 粘土斜墙土石坝，斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线形的滑动面。这时，可假设滑动体由若干楔形体组成，采用滑楔法计算稳定安全系数。详尽计算见3.3.1节。 EMBED Equation.DSMT4 （2-3） 式中： ； ； ，土条一侧的抗滑力； ，土条另一侧的下滑力； ​，作用于土条底部的空隙压力； 、 ，分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）； ，土条一侧的 与水平面的夹角； ，土条另一侧的 与水平面的夹角。 计算时，首先假定一K值，自右端楔形块起，计算块间作用力P，直至最左端的三角形楔形块，如果式（2-3）方括号[ ]中的值为零，则满足平衡要求，所假定的K值正确，否则修正K值重新计算，直至收敛。 楔形体块间相互作用力P的倾角β，根据工程经验，选取以下数值：β等于楔形块顶面和底面倾角的平均值； 考虑到滑楔法只满足力的平衡要求，而不满足力矩平衡条件，计算结果的准确性不足，而且安全系数对所假定的块间作用力倾角β的变化比较敏感。β选择不当，则误差较大，有时还会出现数值计算上的问题，难以收敛。故SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：当假定β角等于楔形块顶面和底面倾角的平均值时，容许抗滑稳定安全系数按简化的毕肖普法取值； 2.各工况下的下游坝坡的稳定安全系数以及正常高水位骤降至死水位下上游坝坡的稳定安全系数。 由于本设计采用电算设计，计算原理同2.1节中的方法相似（M-P法是滑楔法的发展），区别是运用期同施工期考虑的荷载不同（如，施工期不考虑土石料的孔隙水压力ui）故本节不再做原理介绍。 第三章．计算过程及结果汇总 3.1.确定和合理经济的土石坝剖面 1.确定工程等级 本工程是以发电灌溉为主兼顾防洪和供水等的综合利用工程，水库的总库容为1850万m3，发电总装机容量3.4万kW。灌溉下游左岸耕地2.43万m2，灌溉最大引水流量36m3/s。根据SL252-2000 《水利水电工程等级划分标准》规定，本工程等级为Ⅲ等，土石坝级别为3级。 2.选定坝型 由于粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有，坝址上游5公里至坝址下游9公里河段内储量丰富。考虑土石坝类型为土质防渗体分区坝（本课程设计选定为粘土斜心墙坝）。 3.坝体分区 从上游坝坡至下游坝坡，本课程设计依次分为砂石料区（土石料）、粘土斜墙（粘土料）、斜墙近下游反滤层（双层）和下游堆石区（堆石料），下游堆石区的堆石粒径从上游向下游逐步增加，在进一步的设计当中，应当研究后进行分区。（各石料参数见附表1。） 4.确定建基面 本工程坝址处的岩体可大致分为新鲜微风化岩石、弱风化、强风化及河床砂卵石覆盖层。拟定坝址河床底高程为120.6m，河槽处砂卵石覆盖层厚为3~4m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为6m，河床一般仅局部发育闭合缓倾裂隙。两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般地2---3m ，强风化层厚1—2m，弱风化层厚度为4－7m，坝址两岸均为花岗岩，岩石坚硬，裂隙不发育。 本设计拟定河床坝基高程为117.1m，挖除3.5m松散卵石层，保留下部相对密实卵石层。岸坡坝段下挖3m，挖除上部覆盖层。 5.初步拟定坝坡坡率、布置马道 本设计采用粘土斜墙土石坝，上游坝壳料为砂砾料，下游坝壳料为堆石料。所以初定上游坡率确定为1:2.5 下游坡率确定为1:2.0。由于上游马道主要在施工期使用，正常运行期时淹没在水下，故上游坡不设马道。为了便于施工和满足交通需求设置下游坡于高程148.000m 处设1条马道，马道宽度取为2.0米，马道上下坝坡一致，都取1：2.0； 6.坝顶高程的确定 首先根据式2-1计算坝顶安全加高： y=R+e+A A. 本设计工程属于丘陵区地带，波浪的平均波高和平均周期采取莆田试验站公式，按下式3-1～式3-3计算： 3-1 3-2 式中： ，水域平均水深，m 取值见表3-1； ，平均波高，m； ，平均波周期，s；W，计算风速，设计风速取洪水期多年平均最大风速的1.5倍，即22.5m/s,校核风速取洪水期多年平均最大风速15m/s；D，风区长度，取3670m；g，重力加速度，取9.81m/ 。 平均波长按下式计算（先假设H≥0.5Lm）： 3-3 式中： ——平均波长，m；H——坝迎水面前水深，取 ，m；上述公式的关于 、 和 的计算过程见表3-2。 表3-1 水域平均水深Hm 单位：m 上游水位 上游水位 河床底高程 水域平均水深 正常高水位 173．0 120.6 52.4 设计洪水位 175.1 54.5 校核洪水位 176.5 55.9 注：本设计表中的水域平均水深Hm值，由于缺乏资料近似取用坝前水深。 表3-2 平均波高、平均周期和平均波长计算 工况 参数 正常蓄水位+正常运用条件 设计洪水位+正常运用条件 校核洪水位+非常运用条件 Hm(m) 52.4 54.5 55.9 W(m/s) 22.5 22.5 15 D(m) 36700 hm（m） 0.628 0.628 0.402 Tm（s） 3.52 3.52 2.81 Lm(m) 19.31 19.32 12.36 H>0.5Lm？ √ √ √ 注：a.本设计水域平均水深Hm同坝前水深H取值一致。 b.由于详细步骤采用excel2007计算，故未能列出。往后表格多用这种方法，不再注明。 c.由于缺乏设计必须地震资料，本设计不考虑工况正常蓄水位+非常运用条件下坝顶超高+地震 安全加高。往后设计如是，不再注明。 B. 风雍水面高度可按式3-4计算： 3-4 式中: e——计算点处的风雍水面高度，m； K——综合摩阻系数，取 × ； β——计算风向与坝轴线法线的夹角，（º），本设计取0º。 计算部分过程和结果见表3-3。 表3-3 风雍水面高度计算 工况 参数 正常蓄水位+正常运用条件 设计洪水位+正常运用条件 校核洪水位+非常运用条件 Hm(m) 52.4 54.5 55.9 W(m/s) 22.5 22.5 15 D(m) 36700 K 3.6×10-6 β 0 º e(m) 0.007 0.006 0.003 C. 本设计单坡的坡度系数m=2.5，正向来波在单坡上的平均波浪爬高,可按式3-5进行计算： 3-5 式中： ——平均波浪爬高，m； m——单坡的坡度系数，如坡角为α，即等于cotα； ——斜坡的糙率渗透性系数，选护面类型为砌石，查表，取0.75； ——经验系数，由 ，查表取 ； 本设计工程等级为Ⅲ级，故设计波浪爬杆值采用累积频率为1%的爬高值 。(SL274-2001 A.1.11规定：设计波浪爬高值应根据工程等级确定，1级、2级和3级坝采用累积频率为1%的爬高值 。)不同累积频率下的波浪爬高 可由平均波高与坝迎水面前水深的比值和相应的累积频率P(%)按表规定的系数确定求得（附表2）。 Rm和Rp的计算见表3-4。 本设计工程所处地形为丘陵区，坝的级别为3级。根据SL274-2001确定土石坝的安全加高A，查规范表5.3.1得正常运行条件下的安全加高为0.7m，非常运行条件下的安全加高为0.4m。 D. 综上结果，可求得3种运用条件下坝顶超高y值和坝顶高程（表3-5）。最终选取上游为校核洪水位加非常运用条件下为控制工况，安全超高为1.79m。 表3-4 波浪在坝坡上的波浪爬高 计算 单位：m 工况 参数 正常蓄水位+正常运用条件 设计洪水位+正常运用条件 校核洪水位+非常运用条件 KΔ 0.75 Kw 1.00 1.00 1.00 m 2.5 hm 0.628 0.628 0.402 Lm 19.309 19.315 12.358 Rm 0.970 0.970 0.621 Rp/Rm 2.23 2.23 2.23 Rp 2.163 2.164 1.384 表3-5 各工况下坝顶超高y值和坝顶高程 单位：m 工况 参数 正常蓄水位+正常运用条件 设计洪水位+正常运用条件 校核洪水位+非常运用条件 A 0.7 0.7 0.4 R 2.16 2.16 1.38 e 0.01 0.01 0.00 y 2.87 2.87 1.79 上游水位Z 173.00 175.10 176.50 坝顶高程 175.87 177.97 178.29 考虑在坝顶上游侧设置防浪墙，防浪墙高1.2m，厚度为0.5m，并伸入坝体内同防渗体结合在一起,防浪墙墙顶高程为178.3m,坝顶下游侧设置栏杆。坝顶超高应考虑防浪墙的作用，所以坝顶高程应取177.1m(>176.5+0.5=177.0m),坝高为177.1-117.1=60.0m。 7.确定坝顶宽度 本设计土石坝坝高60.0m，属于中坝，根据SL274-2001 5．4．1 规定坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用10～15m，中、低坝可选用5、10m 。故选定土石坝坝顶宽度为8.0m。 8.初定防渗体型式尺寸 本设计粘土斜墙（坝体内防渗措施），顶部宽度定为4.0m，顶部高程为设计水位加上防渗体顶部超高为175.1+0.4=175.5m。底宽选定为 (校核静水头H=176.5-125.4=51.1m)。近上游坡坡率为1：2.25，下游坡坡率为1:2.0。两侧设置反滤层，详见3.1.9。 坝基防渗采用开挖截水槽，槽顶部宽度同斜墙底部宽度一致为18.0，下挖至弱风化层中部，相对于建基面继续下挖6m。两侧坡率为1：0.5，底部宽度为18.0-3.0-3.0=12.0m。 9.反滤层和过渡层 本设计主要在一处设置反滤层（表3-6）。 表3-6 反滤层布置情况 位置 单层厚度（m） 层数 材料 斜墙近下游面 1.0 2 砂砾料 10.护坡计算 采用砌石护坡，由于本设计侧重于土石坝电算稳定分析，所以护坡计算过程不详列，只列结果（表3-7）。 表3-7 护坡计算结果 项目 值 结论 石块换算球形直径D（m） 0.387 护坡厚度取0.6m，下部不设垫层。分别采用加工后堆石料和土石料。上游护坡范围从防浪墙底部至死水位下3.0m,下游护坡至坝趾处。 块石的质量Q(t) 0.068 护坡厚度t(m) 0.498 最终初步拟定坝体剖面图如图3-1。 图3-1 初步拟定的剖面图 3.2.土石坝渗流分析 由于上下游采用的填筑料透水率均较大，所以假定上下游浸润线为水位线的自然延伸，又因为粘土斜墙的渗透系数（7.6×10-6）小于填筑料的渗透系数（土石料1.9×10-3砂石料8.3×10-2）1000位以上，可以视为不透水层，故无需进行渗流稳定校核。浸润线全部根据其它设计经验拟定。 3.3.土石坝稳定分析 1. 计算施工期上游坝坡的稳定安全系数的计算（手算计算） A.滑楔法 根据土石料计算参数（c,φ值），拟定可能安全系数最小的第一滑楔面如表3-8，示意图见图3-2。 粘土和砂砾石接触面的c,φ值按图3-3读取（此处采用AutoCAD2007作图计算）。 利用excel2007计算第一可能危险滑动面计算结果如表3-9。根据SL274-2001 表8.3.10（坝坡抗滑稳定安全系数）中规定的非正常运用条件Ⅰ，3等工程的坝坡抗滑稳定安全系数不得小于1.20（K=1.627＞1.20），所以该滑楔面在施工期上游坝坡是稳定满足要求。 表3-8 第一滑楔面各参数 单位：° 滑楔块 αi βi ΔX（m） 第一滑楔块 26 24 30 第二滑楔块 26 24 40 第三滑楔块 18 20 45 第四滑楔块 13 17.5 39 注：β等于楔形块顶面和底面倾角的平均值。 图3-2 第一滑楔面 图3-3 粘土和砂砾石接触面的强度包线图 表3-9 第一滑动面安全系数计算 滑楔块 假定K αi βi Wi cei φei ΔX(m) Pi(kN) pi-1(kN) 括号中的值 第一滑楔块 1.627 26 24 5261 6.595 0.303 30 589 0 567.65 第二滑楔块 26 24 6162 6.595 0.303 40 13 -589 12.24 第三滑楔块 18 20 7257 6.146 0.328 45 -436 -13 -407.85 第四滑楔块 13 17.5 2484 0.000 0.448 39 0 436 -0.22 说明 判定最后一个滑楔块中[]的值是否接近0，如果是则假的K值是正确的。 结论 K=1.627 B.简化毕肖法 先采用理正边坡稳定分析系统初步计算拟定有效滑裂面的大概位置和圆弧半径（R=125.7，滑裂面形式如图3-4），其余参数结合CAD绘图计算功能，计算参数见表3-10～3-11（其中有效孔隙水压力u、水平惯性力Q不考虑。），按公式2-2。 表3-10 采用简化毕肖普法计算参数 土条 最终假定Kc ci' bi tanφi Wi αi 1 1.419 0 10 0.700 141.96 44 2 1.419 10.73 10 0.510 988.4745 40 3 1.419 10.73 10 0.510 1658.948 34 4 1.419 10.73 10 0.510 2084.934 29 5 1.419 10.73 10 0.510 2245.814 24 6 1.419 20 10 0.344 2231.774 19 7 1.419 20 10 0.344 2040.694 14 8 1.419 20 10 0.344 1686.001 9 9 1.419 0 10 0.700 1157.176 5 10 1.419 0 11 0.700 472.29 22 表3-11 计算过程和结果 土条 分子 分母 1.00 99.40 1.06 98.61 93.59 98.61 2.00 610.95 1.00 635.38 612.88 635.38 3.00 952.58 1.03 927.67 924.98 927.67 4.00 1169.63 1.05 1010.80 1115.31 1010.80 5.00 1251.60 1.06 913.45 1181.21 913.45 6.00 968.46 1.02 726.59 945.28 726.59 7.00 902.67 1.03 493.69 877.23 493.69 8.00 780.54 1.03 263.75 761.02 263.75 9.00 810.26 1.04 100.85 779.70 100.85 10.00 330.70 1.11 176.92 297.38 176.92 合计 (计算所得Kc): 1.419 7588.58 5347.72 注：由于本设计有许多条件不确定，例如，土石料的容重和粘聚力等。所计算得的稳定安全系数十分粗略。 图3-4 滑裂面形式 以上两种方法进行比较，发现所得的安全系数相差较大，主要是滑裂面选取不同，显然应以，简化毕肖普法计算结果为主。所以施工期（竣工时）上游坝坡安全系数为1.419。 2. 采用摩根斯顿—普赖斯法计算正常高水位下游坝坡的稳定安全系数并绘制坝体浸润线 采用理正岩土边坡稳定分析系统部分参数设置：稳定计算目标: 自动搜索最危险滑面；稳定分析方法: 摩根斯顿—普赖斯法；土条宽度(m): 5.000； 方程求解允许的最大迭代次数: 50；搜索有效滑面数: 200。得电算出有效滑动面如图3-5，有效滑裂面的形式参数如表3-12。 电算得下游坝坡在该工况下的稳定安全系数为K=1.552>1.30。所以满足稳定要求。 根据其它设计经验绘制的浸润线图如图3-6。 表3-12 采用摩根斯顿—普赖斯法计算正常高水位下游坝坡有效滑裂面形式 最危险滑裂面线段标号 滑楔块底面夹角α（°） ΔX(m） 1 21 24.02 2 29 24.03 3 33 10.44 图3-5 正常高水位下游坝坡有效滑裂面 图3-6 正常高水位下坝体浸润线 注：上游各种水位下坝体浸润线的绘制在稳定分析这后，故绘制时坝型已经修改（图中上游坝坡坡率为1：3.0），之后的设计和校核 洪水位下的坝浸润线也是，不在注明。 3. 采用简化毕肖普法计算各工况下游坝坡的稳定安全系数（设计洪水位+校核洪水位） 本节采用理正岩土边坡稳定分析系统分析设计洪水和校核洪水下下游稳定安全系数。各工况计算参数设置如表3-11。电算得有效滑裂面见图3-7和图3-8，形式参数见表3-13。 设计洪水位下和校核洪水位下下游坝坡的稳定安全系数分别为1.396和1.224.符合SL274-2001中的规定。故下游坝坡在设计和校核洪水位下满足稳定安全要求。 表3-13 各工况参数设置及结果 参数 工况 设计洪水位 校核洪水位 圆弧稳定分析方法: 简化Bishop法 简化Bishop法 土条重切向分力与滑动方向反向时 当下滑力对待 当下滑力对待 稳定计算目标 自动搜索最危险滑裂面 自动搜索最危险滑裂面 条分法的土条宽度 5.000(m) 10.000(m) 搜索时的圆心步长 5.000(m) 10.000(m) 搜索时的半径步长 5.000(m) 10.000(m) 水下内摩擦角 30° 28° 滑裂面半径R(m) 43.57 37.25 土条数 7 7 安全系数K 1.396 1.224 表3-14 采用简化毕肖普法计算各工况下游坝坡有效滑裂面形式参数 单位：m 工况 土条 土条1 土条2 土条3 土条4 土条5 土条6 土条7 设计洪水位 6.32 6.50 2.30 1.23 4.70 6.03 1.88 校核洪水位 6.00 6.77 3.83 1.38 3.52 3.5 1.55 注:校核洪水位属于非常运用Ⅱ，3等工程[K]=1.20。 根据其它设计经验拟定上游为分别设计洪水和校核洪水位下的坝体浸润线如图3-9和3-10 图3-7 设计洪水位下游坝坡有效滑裂面 图3-8 校核洪水位下游坝坡有效滑裂面 图3-9 根据其它设计经验拟定的设计洪水位下的坝体浸润线 图3-10 根据其它设计经验拟定的校核洪水位下的坝体浸润线 4. 正常水位骤降至死水位上游坝坡的稳定安全系数并绘制浸润线 采用理正分析，由正常蓄水位聚降至死水位水面线根据设计经验拟定见表3-13,图线见图3-11。 表3-13 水面线形式 单位：m 水面线号 坐标增量 1 2 3 4 5 6 7 X增量 111.000 13.854 13.854 13.854 13.854 13.854 13.854 Y增量 0.000 3.487 4.361 5.494 5.986 5.950 6.158 注：以坝踵点为坐标原点，水面线起点坐标为（-50，24.5） 采用理正分析计算得坝面的稳定安全系数K=0.921<1.30不符合规范要求，应更改相应的大坝型式。本设计采取的修正措施是： 1.将上游坝坡由1：2.5放缓至1：3.0； 2.将上游护坡加厚顶宽加至4.0m与防浪墙相连,护坡延伸至坝踵底宽为10m，并采用堆石仔细衬砌； 3.考虑砂砾石和浆砌石的透水性大，水面线顶部高程变降低为160.9m。 重新计算正常水位骤降至死水位的安全系数，介于上游坝坡在运行期稳定性重要，本设计详细列出参数设置信息如表3-14～表3-17。 电算得到的有效滑裂面见图3-12。 图3-11 根据其它设计经验拟定的坝体浸润线 表3-14 坡面信息 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 180.000 60.000 2 8.000 0.000 表3-15 土层信息 区号 重度(kN/m3) 饱合重度（kN/m3) 内摩擦角 粘聚力 节点编号 1 22.00 27.00 38.0 0.0 0,-1,-2,2,1,4 2 18.70 18.79 19.0 20.0 1,2,3,4 3 22.00 27.00 38.0 0.0 0,-1,5,6 表3-16 水面信息 水面线号 水平投影(m) 垂直投影(m) 1 13.854 0.000 2 13.854 3.487 3 13.854 4.361 4 13.854 5.490 5 13.854 5.990 注：采用有效应力法；孔隙水压力采用近似方法计算；不考虑渗透力作用；考虑边坡外侧静水压力；水面线段数 5 ，水面线起始点坐标: (-50.000,24.500)。 计算结果: 滑动安全系数K= 1.313>1.30 成果合理性分析： 从软件分析出的骤降期上游坝坡滑裂面（图3-12）的位置分析，该滑裂面超出斜墙，与下游反滤层的接触面，并引起下游堆石区产生大体积滑动失稳。事实上，下游堆石几乎完全透水且堆石区近上游段坡率为1:2.0(26.45°<<内摩擦角38°)，堆石区理应稳定。所以我认为由软件分析得来的滑裂面应同实际情况不相符。 产生软件分析结果的原因：计算中所取的由正常水位骤降至死水位的水面线不合理，受理正5.6版中水面线设置的限制。 本应考虑采用其它电算方法计算，但考虑到时间的关系。并且这样设计是偏于安全的，故本设计不再另外计算。 对于本设计土石坝最终的坝型尺寸可见土石坝特性表或设计图。 图3-12 骤降期上游有效滑动面 表3-17 滑裂面信息 线段标号 起始坐标(m,m) 终止坐标(m,m) 1 (62.184,20.728) (103.310,15.907) 2 (103.310,15.907) (138.797,21.307) 3 (138.797,21.307) (166.167,34.734) 4 (166.167,34.734) (186.677,54.951) 5 (186.677,54.951) (189.035,60.000) 第四章．结束语 4.1.成果分析 对于初步拟定的粘土心墙土石坝剖面型式尺寸，经过坝坡稳定计算施工期（竣工时）的上游坝坡和各种洪水位下的下游坝坡面都能满足稳定要求。但对于水位由正常蓄水位骤降至死水位的情况上游坝坡稳定安全系数过于低，主要由于是布置时游坝坡率（1:2.5）过缓（填筑料不合理），并且斜墙距坝踵过近以造成的。上游坝坡坡率适当放缓，斜墙坡角应向下游移动。上游坝壳料分区为护坡堆石料和砂粒料。重新计算稳定安全系数由0.921提高至1.313。 4.2.问题展望 本次设计，由于学生能力有限，经验不足。在拟定大坝的型式尺寸上浪费了大量的宝贵时间。之后的坝坡稳定分析时间不足，在拟定坝坡时过于注重经济而忽略稳定要求。限于课程设计，故本次的设计资料不足，尤其是对填土重要性质，如粘聚力、容重最大粒径和允许渗流比降等，且本次设计侧重于电算坝坡稳定，故本次设计同实际工程经验相差较大。我认为我在获得更详尽的设计资料和更长课程设计时间的前提下，我主要能在以下两方面一步完善本课程设计。 1.进行渗流分析，通过计算绘制渗流浸润线。校核粘土斜墙布置的合理性和土石坝正常运用下的渗流量，采取防渗措施。 2.采用多种方法和多个可能滑动面计算坝坡稳定；介于上游坝坡在运用期的稳定性比较重要，虽然本设计中最终的正常蓄水位骤降至死水位稳定安全系数（1.313）能满足规范要求。但这个滑动面可能不是有效滑裂面，其次计算中诸多参数设置粗糙，如土石料的水下以及两种不同土料的接触面的凝聚力和内摩擦角取值等；许多因素没有考虑，如地震，防浪墙。所以，不能草率认为坝坡已经稳定，应进行更加深入的分析。 对于本次课程设计的感想，最大感想就是。开始之前一定要先研究一下已有的工程设计，分清轻重缓急。不可草率下手，没有全局观念。还有就是借鉴别人的经验的前题是自己对原理已经真正清楚，实事求是，不能生搬硬套。这次课程设计，我觉得自己做得很不好。重力坝的设计我应该吸取经验的。 【参考文献】 [1]中华人民共和国水利部 .SL252-2000 水利水电工程等级划分标准.北京：中国水利水电出版社，2000 [2]中华人民共和国水利部 .SL274-2001 碾压式土石坝设计规范.北京：中国水利水电出版社，2001 [3]天津大学林继镛主编 .水工建筑物 .5版 . 北京：中国水利水电出版社，2009 附表 附表1 土石坝的安全加高 坝的级别 1 2 3 4,5 正常运行条件 1.50 1.00 0.70 0.50 非常运行条件（a） 0.70 0.50 0.40 0.30 非常运行条件（b） 1.00 0.70 0.50 0.30 注：其中非常运行条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b）适用于平原区、滨海区。 附表2 土石料计算参考参数 材料 重度 kN/m3 含水量 % 孔隙 摩擦角 (度) 凝聚力 kPa 渗透系数 K(cm/s) 粘土 18.7 25 e=0.65 19 20 7.6(10-6 砂砾料 19.5 19 n=25% 35 0 8.3(10-2 土石料 20 22 e=0.45 29 10 1.9(10-3 堆石料 22 15 n=25% 38 0 附表3 不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值（ ） P（%） 0.1 1 2 4 5 10 14 20 30 50 ＜0.1 2.66 2.23 2.07 1.90 1.64 1.71 1.53 1.39 1.22 0.96 0.1―0.3 2.44 2.08 1.94 1.80 1.57 1.64 1.48 1.36 1.21 0.97 ＞0.3 2.13 1.86 1.76 1.65 1.48 1.64 1.39 1.31 1.19 0.99 PAGE 24 _1340149395.unknown _1401969917.unknown _1401995754.psd _1401995755.psd _1401995756.psd _1401969960.unknown _1401995753.psd _1401969930.unknown _1369592197.unknown _1401738730.unknown _1401777329.unknown _1401969891.unknown _1401739120.unknown _1369594499.unknown _1369594534.unknown _1340149507.unknown _1369581678.unknown _1340149492.unknown _1339959825.unknown _1340149339.unknown _1340149381.unknown _1340148837.unknown _1340149206.unknown _1340149275.unknown _1340149190.unknown _1339960209.unknown _1340148736.unknown _1339960177.unknown _1307885802.unknown _1339956977.unknown _1339958581.unknown _1308466800.unknown _1308468378.unknown _1339956291.unknown _1308468474.unknown _1308468218.unknown _1308465396.unknown _1308465493.unknown _1308465280.unknown _1197638094.unknown _1307885666.unknown _1197637925.unknown _1197637956.unknown _1197637817.unknown